锡基钙钛矿太阳能电池界面工程突破：通过费米能级调控实现高效稳定器件

作者及发表信息
本研究的通讯作者为苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）的Zhao-Kui Wang教授与Yan-Hui Lou教授，第一作者为Yu-Tong Yang、Chun-Hui Su和Kai Jin（共同一作）。研究成果以《Pioneering interface configuration with Fermi-level tailoring for tin perovskite photovoltaics》为题，于2025年发表于Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202515860）。

学术背景
锡基钙钛矿太阳能电池（Tin Perovskite Solar Cells, TPSCs）因无毒、高理论效率（~27%）被视为铅基器件的理想替代品。然而，其实际效率（~12%）远低于铅基器件，主要归因于两个核心问题：
1. 薄膜质量缺陷：Sn²⁺易氧化导致非辐射复合；
2. 界面能级失配：传统空穴传输材料（如PEDOT:PSS）与钙钛矿层的能级对齐不佳，引发载流子积累与复合。

针对上述问题，本研究提出一种新型复合空穴传输层（Composite Hole Transport Layer, co-HTL）策略，通过自组装单分子层（Self-Assembled Monolayer, SAM）与PEDOT:PSS协同优化界面能级排列，旨在同时提升器件效率与稳定性。

研究流程与方法
1. 材料设计与合成
- 研究对象：设计两种咔唑基SAM材料——4DDCZ（无末端修饰）与MeS-4DDCZ（含甲基硫基末端）。
- 合成方法：通过核磁共振（NMR）验证分子结构（图S2-S3），采用双膦酸锚定基团确保与FTO基底强结合（图1a）。

2. 界面相互作用机制
- 实验方法：
- FTIR光谱：证实MeS-4DDCZ与PEDOT:PSS的甲基硫基-噻吩环偶极相互作用（图1b）；
- XPS分析：S 2p峰位移表明界面电子环境改变（图1c）；
- AFM表征：MeS-4DDCZ修饰的PEDOT:PSS表面粗糙度降低（RMS=1.2 nm vs. 1.8 nm，图1d）。

3. 能级调控与器件优化
- UPS测试：MeS-4DDCZ使PEDOT:PSS的HOMO能级下移（-5.41 eV→-5.30 eV），与钙钛矿层（-5.40 eV）形成更优对齐（图2a）；
- KPFM测量：界面电荷再分布证实费米能级调控诱导的内建电场增强（CPD=-230 mV，图2c-d）。

4. 光电性能与载流子动力学
- 器件结构：FTO/co-HTL/钙钛矿/ICBA/BCP/Ag；
- 关键实验：
- EIS分析：目标器件复合电阻（Rrec）显著提高（图3a）；
- Mott-Schottky测试：内建电势（Vbi）从0.72 V提升至0.89 V（图3b）；
- PL/TRPL：载流子扩散长度从139.82 nm增至209.71 nm（图3d-f）。

5. 稳定性评估
- 湿度测试（60% RH）：co-HTL器件导电性衰减率降低50%（图5a-c）；
- 持续光照（1 sun, N₂）：未封装器件T90寿命达399小时（图5f）。

主要结果
1. 效率突破：优化器件实现15.11%的功率转换效率（PCE），Voc提升至0.97 V（图4a）；
2. 非辐射复合抑制：PLQY从1.8%（PEDOT:PSS）提升至3.7%，界面损失从26 meV降至7 meV（图4g-i）；
3. 稳定性机制：甲基硫基的偶极相互作用增强PEDOT:PSS环境稳定性（图5）。

结论与价值
1. 科学价值：首次通过SAM/PEDOT:PSS复合结构实现界面费米能级精准调控，为TPSCs的能级工程提供普适性策略；
2. 应用价值：15.11%的效率为当前TPSCs的最高水平之一，且器件在湿热条件下稳定性显著提升，推动无铅钙钛矿商业化进程。

研究亮点
1. 创新材料设计：甲基硫基修饰的SAM（MeS-4DDCZ）通过偶极相互作用优化界面接触；
2. 多尺度表征：结合FTIR、XPS、KPFM等揭示能级调控的物理化学机制；
3. 协同效应：co-HTL兼具SAM的能级调谐能力与PEDOT:PSS的成膜性，突破传统HTL局限性。

其他价值
本研究开发的DLCP（驱动级电容剖面）技术（图S10）为界面缺陷定量分析提供新方法，可扩展至其他半导体器件研究。

（全文约2000字）